2. Светооптические системы для кино- и видеопроекции

2.1. Требования к светооптическим системам

Светооптические системы кино- и видеопроекторов предназначены для получения на экране действительных увеличенных изображений последовательно проецируемых кадров. Светооптическая система представляет собой единую центрированную осветительную и оптическую систему. Для получения высокого качества изображения к таким системам предъявляют следующие требования:

• достаточная резкость изображения по всему рабочему полю экрана;

• большая яркость и ее равномерность по полю экрана;

• отсутствие визуально воспринимаемых искажений цветопередачи;

• высокий контраст изображения;

• высокая энергитическая эффективность, определяемая световой отдачей источника света;

• эффективное использование излучения источника света и уменьшение потерь света в светооптической системе;

• простота конструкции, обслуживания и надежность работы (сохранение показателей в процессе работы). Конкретные параметры указанных требований в соответствии со спецификацией цифрового кинематографа (DCSS) рассмотрены в разделе 1 и представлены в табл. 1.1.

2.2. Светооптические системы для проекции в проходящем и отраженном свете

В зависимости от характера проецируемых предметов, светооптические системы и получаемые проекции разделяют на два вида: диаскопические и эпископические [10].

Диаскопической проекцией называется проекция, образованная лучами света, проходящими сквозь предмет (в проходящем свете). К этому типу проекции относятся проекторы типа LCD.

Эпископической проекцией называется проекция непрозрачного предмета, образованная лучами света, отраженными от предмета (в отраженном свете). К этому типу проекции можно отнести видеопроекторы типа CRT, ILA, D-ILA и DLP.

Кроме того, осветительные системы по их оптическим схемам можно разделить на три основных типа:

1. Диоптрические (конденсорные), содержащие преломляющие оптические поверхности сферической или асферической формы.

2. Катоптрические, содержащие отражающие (зеркальные) элементы сферического или более сложного профиля.

3. Катодиоптрические, содержащие как зеркальные так и линзовые компоненты.

Рациональность применения светооптической системы того или иного типа определяется технологией проецирования цветного видеоизображения на внешний экран. В частности, проекция в проходящем свете (диаскопическая) используется в видеопроекторах с ЖК-матрицами, работающими на просвет (LCD-видеопроекторы).

В этом случае наибольшее распространение получили две принципиальные схемы построения осветительных систем [11].

В первой из них осветительная система образует изображение источника света в плоскости входного зрачка проекционного объектива (рис. 2.1). Эта схема применяется если яркость источника света резко неравномерна по его площади, а также если размеры светящегося тела источника малы и попытка его изобразить в плоскости ЖК-матрицы приводит к большим увеличениям осветительной системы и, следовательно, к неприемлемо большим габаритам последней.

Во второй схеме осветительная система образует изображение источника света в плоскости ЖК-матрицы (рис. 2.2)

Рис. 2.1. Принципиальная оптическая схема осветителя,

изображающего источник света во входной зрачок объектива

Данная схема применяется, если яркость святящегося тела достаточно равномерна в пределах той его части, которая изображается в плоскости ЖК-матрицы.

Рис. 2.2. Принципиальная оптическая схема осветителя,

изображающего источник света в плоскости ЖК-матрицы

В обеих схемах через каждую точку ЖК-матрицы (как в ее центре, так и на краю) проходят пучки лучей, заполняющие зрачок объектива, но в первом случае каждая точка матрицы просвечивается пучком лучей, исходящих из всех точек светящегося тела, а во втором случае – лишь из соответствующей оптически сопряженной точки источника света.

Рис. 2.3. Оптическая схема осветителя, изображающего источник света, во входной зрачок объектива при оптическом сопряжении выходного зрачка конденсора с плоскостью ЖК-матрицы

Однако приведенные схемы являются идеализированными и на практике они в точности не реализуются. Обычно изображение источника света располагается между ЖК-матрицей и входным зрачком проекционного объектива – вблизи зрачка в первых схемах или вблизи ЖК-матрицы – во вторых. Кроме того, обе схемы имеют принципиальный недостаток: для заполнения светом входного зрачка проекционного объектива должны быть увеличены поперечные размеры осветительной системы (если ЖК-матрица не совмещена с плоскостью выходного зрачка осветительной системы) по сравнению с теми ее размерами, которые соответствуют углу охвата осветителя 2U_охв. Это конструктивное условие иногда может быть выполнено, если не полностью, то частично (при некотором виньетировании лучей наклонных пучков) в системах с конденсорами увеличенного диаметра. Однако данное условие оказывается абсолютно невыполнимым в осветительных системах больших габаритов. Очевидно также, что можно сохранить поперечные размеры осветительной системы соответственно ее углу охвата (2U_охв), но при этом будет иметь место виньетирование проекционным объективом пучков лучей, проходящих через точку ЖК-матрицы, смещенную с оптической оси.

Избежать последнего возможно, применяя проекционный объектив, имеющий заведомо большее относительное отверстие, чем то, которое соответствует апертуре U_об пучков лучей, выходящих из осветителя и проходящих через центральную точку ЖК-матрицы, расположенную на оптической оси системы. Это требование также не всегда может быть удовлетворено полностью, что, следовательно, опять же приводит к остаточному виньетированию пучков лучей, просвечивающих крайние точки матрицы.

Устранить указанные недостатки можно путем некоторого усложнения осветительной системы – введя в нее дополнительную линзу, а именно [11]:

• в первой схеме (рис. 2.1) плоскость ЖК-матрицы должна быть совмещена с плоскостью выходного зрачка осветителя, что может быть достигнуто в результате введения специальной дополнительной линзы-реле, сопрягающей эти две плоскости (рис. 2.3);

• во второй схеме (рис. 2.2) плоскость выходного зрачка конденсора должна быть оптически сопряжена с плоскостью входного зрачка проекционного объектива, что может быть обеспечено введением дополнительной прикадровой линзы-коллектива (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Оптическая схема осветителя, изображающего источник света в плоскости ЖК-матрицы при оптическом сопряжении зрачков конденсора и объектива

Таким образом, обеспечивается полное устранение виньетирования наклонных пучков без дополнительного увеличения при этом диаметров линз осветителя или проекционного объектива. Такие системы целесообразно применять в тех случаях, когда видеопроекторы имеют сравнительно большие углы поля зрения и, следовательно, когда применение более простых систем приводит к недопустимо большому снижению освещенности на краю экрана вследствие виньетирования.

Светооптические системы для проекции в отраженном свете (эпископическая проекция) применяются в проекторах типа ILA, D-ILA и DLP. Оптические схемы таких систем также могут быть диоптрическими, катоптрическими или катодиоптрическими, к которым предъявляются требования, рассмотренные выше. На рис. 2.5 показана оптическая схема проекционной системы в отраженном свете. Непрозрачный плоский предмет 1 (ЖК- или DMD-матрица) освещается осветительной системой, включающей лампу 2, отражатель 3 и конденсор 4. Лучи света, отраженные поверхностью предмета, направляются на зеркало 5 и через объектив 6 – на экран.

Рис. 2.5. Оптическая схема проекционной системы в отраженном свете

Таким образом, возможность и целесообразность применения той или иной схемы осветительно-проекционной системы зависит от технологии и ряда других условий проекции и прежде всего от свойств источника света, относительных размеров ЖК- или DMD-матрицы, размеров освещаемого проекционного экрана, а следовательно, необходимой световой мощности видеопроектора и т.п.